DE102006061916A1 - Fan blade for a gas turbine engine - Google Patents

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Abstract

Eine Fanschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, die eine Tragstruktur (2) aus Faserverbundmaterial aufweist, ist nur im Bereich des Schaufelblattes (3) von einer metallischen Hüllstruktur (4) aus Blech umgeben, so dass die am Schaufelfuß (11) wirkenden Kräfte und Spannungen und die Delaminationsgefahr durch hohe Biegebelastung im Übergangsbereich zwischen Schaufelblatt und Schaufelfuß minimiert werden.A fan blade for a gas turbine engine, which has a support structure (2) made of fiber composite material, is surrounded only by a metal sheath structure (4) made of sheet metal in the area of the airfoil (3), so that the forces and stresses acting on the blade root (11) and the Danger of delamination due to high bending load in the transition region between the blade and the blade root can be minimized.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fanschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, die eine aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur und eine metallische Hüllstruktur umfasst.The The invention relates to a fan blade for a gas turbine engine, the one consisting of a fiber composite support structure and a metallic shell structure includes.

Die Fanschaufeln eines Fan-Gasturbinentriebwerks sind durch Fliehkräfte, Gasdruck und von dem strömenden Medium angeregte Schwingungen des Schaufelblattes, aber auch durch auftreffende Fremdkörper, erheblichen Belastungen ausgesetzt, die auch auf den in Ausnehmungen der Rotorscheibe gehaltenen Schaufelfuß übertragen werden.The Fan blades of a fan gas turbine engine are by centrifugal forces, gas pressure and from the pouring Medium excited vibrations of the airfoil, but also by impinging foreign bodies, exposed to significant loads, which also on the in recesses the rotor disc held blade root are transmitted.

Es sind aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Fanschaufeln bekannt, die zum einen ein vergleichsweise geringes Gewicht aufweisen und zudem über eine hohe spezifische Festigkeit und eine hohe Eigendämpfung zur Vermeidung von Schwingungen verfügen. Zur Erzielung einer ausreichenden Erosionsbeständigkeit und Schlagfestigkeit gegenüber auf die Schaufeln auftreffenden Fremdkörpern ist die aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur von einer metallischen Hüllstruktur umgeben.It are known from a fiber composite existing fan blades, on the one hand have a comparatively low weight and also on a high specific strength and high internal damping to avoid vibrations feature. To achieve sufficient erosion resistance and impact resistance to the blades impinging foreign bodies is made of a fiber composite material existing support structure surrounded by a metallic envelope structure.

Aufgrund der komplizierten Formgestalt des Schaufelfußes ist die Herstellung von mit einer Hüllstruktur ausgebildeten Schaufeln aus einem Faserverbundmaterial arbeits- und kostenaufwändig. Die an der Blechumhüllung wirkenden Zugkräfte werden auch auf den Schaufelfuß übertragen, der somit hoch belastet ist und die Spannung und Reibung am Schaufelfuß erhöht und die Lebensdauer der Schaufel verringert. Aufgrund der Krafteinleitung in den Schaufelfuß und der hohen Schubspannungen kann es zu Delaminationserscheinungen zwischen Hüllstruktur und Tragstruktur kom men, zumal die Tragstruktur aus Faserverbundmaterial und die metallische Umhüllung nur über den Infiltrationswerkstoff, der in das in der Umhüllung befindliche Fasermaterial infiltriert wird, verbunden sind und somit eine optimale Haftung zwischen der Trag- und der Hüllstruktur nicht gewährleistet ist.by virtue of the complicated shape of the shape of the blade root is the production of with a shell structure trained blades made of a fiber composite labor-consuming and costly. The on the sheet metal cladding acting tensile forces are also transferred to the blade root, which is thus highly loaded and increases the tension and friction on the blade root and the Shovel life reduced. Due to the introduction of force in the blade foot and The high shear stresses can cause delamination between enveloping structure and supporting structure, especially since the supporting structure is made of fiber composite material and the metallic cladding only over the infiltrating material which is in the envelope located in the envelope Fiber material is infiltrated, connected and thus optimal Liability between the support and the envelope structure is not guaranteed is.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus einer Tragstruktur und einer Hüllstruktur bestehende Fanschaufeln zu entwickeln, die mit geringem Aufwand hergestellt werden können und eine lange Lebensdauer aufweisen.Of the Invention is the object of a support structure and an envelope structure to develop existing fan blades, with little effort can be produced and have a long life.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Fanschaufel gelöst. Weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsvariante.According to the invention Task with one according to the features of the patent claim 1 trained fan blade solved. Further Features and advantageous developments of the invention result from the dependent claims and the following description of an exemplary embodiment.

Kern der Erfindung ist die Ummantelung der aus Faserverbundmaterial bestehende Tragstruktur mit der aus Blech bestehenden Hüllstruktur nur im Bereich des Schaufelblattes, während der Schaufelfuß nur aus Faserverbundwerkstoff besteht. Die Hüllstruktur schließt kurz unterhalb des Anulusfillers bündig an die Faserverbundstruktur des Schaufelfußes an. Dabei ist es wichtig, dass der Rand der Hüllstruktur zur Spannungsminderung im Übergangsbereich zum Schaufelfuß geschäftet ist und/oder in regelmäßigem Abstand Ausnehmungen aufweist. Mit der auf das Schaufelblatt beschränkten Umhüllung werden die an dieser wirkenden Zugkräfte nicht auf den Schaufelfuß übertragen. Die hohe Biegebelastung am Übergang zwischen Schaufelfuß und Schaufelblatt kann nicht zum Ablösen der Hüllstruktur von der Tragstruktur führen. Schließlich sorgt die erhöhte Reibung zwischen dem aus weichem Material bestehenden Schaufelfuß und der aus Metall bestehenden Scheibe, in der die Fanschaufeln gehalten sind, für verminderten Verschleiß und eine verbesserte Befestigung. Bei der Ummantelung einer bereits vorgefertigten Tragstruktur kann ein duktiler Spezialkleber eingesetzt werden, der eine verbesserte Haftung gewährleistet und der Delaminationsgefahr weiter entgegenwirkt. Die Lebensdauer einer so ausgebildeten und mit vermindertem Aufwand hergestellten Fanschaufel kann daher deutlich erhöht werden.core The invention relates to the sheath of fiber composite material Support structure with the existing sheet metal envelope structure only in the area of Airfoil blade while the blade only consists of fiber composite material. The sheath structure closes briefly flush below the annulus filler to the fiber composite structure of the blade root. It is important that the edge of the envelope structure to reduce the voltage in the transition area to Shovel is busy and / or at regular intervals Having recesses. With the limited to the airfoil wrap the at this acting tensile forces not transferred to the blade root. The high bending load at the transition between the blade root and Airfoil can not peel off the envelope structure lead from the support structure. After all ensures the increased friction between the blade made of soft material foot and the made of metal disc, held in the fan blades are for diminished Wear and tear an improved attachment. When sheathing one already prefabricated support structure can be a ductile special adhesive used which ensures improved adhesion and the danger of delamination counteracts. The life of such a trained and Therefore, fan blade manufactured with reduced effort can be clear elevated become.

Die Herstellung der Schaufel erfolgt auf der Basis einer vorgefertigten Tragstruktur aus Faserverbundmaterial, die im Schaufelblattbereich mit der Hüllstruktur ummantelt wird, indem an einem Führungskanten-Formstück ein erstes Deckblech angeschweißt und darauf anschließend die Tragstruktur verklebt wird. Danach wird das zweite Deckblech mit der noch freien Fläche der Tragstruktur verklebt und durch Schweißen mit dem Führungskanten-Formstück und der Hinterkante des ersten Deckblechs verbunden. Das zweite Deckblech wird an einer von der Tragstruktur entfernten Stelle mit dem Führungskanten-Formstück verschweißt, so dass das Faserverbundmaterial nicht durch die Schweißwärme zerstört werden kann.The Production of the shovel takes place on the basis of a prefabricated one Support structure made of fiber composite material in the airfoil area with the envelope structure is encased by a leading edge molding a first Cover plate welded and afterwards the support structure is glued. After that, the second cover sheet with the area still free glued to the support structure and by welding with the leading edge molding and the Trailing edge of the first cover plate connected. The second cover plate is welded at a location remote from the support structure body with the leading edge molding, so that the fiber composite material can not be destroyed by the welding heat.

Es ist jedoch auch denkbar, die Hüllstruktur vorzufertigen und anschließend mit in ein Formwerkzeug eingelegter Hüllstruktur die Tragstruktur integral mit der Hüllstruktur herzustellen.It However, it is also conceivable to prefabricate the envelope structure and subsequently with enveloped in a mold envelope structure, the support structure integral with the envelope structure manufacture.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:One embodiment The invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:

1 eine Seitenansicht einer aus Faserverbundmaterial bestehenden Fanschaufel mit einer das Schaufelblatt umgebenden metallischen Hüllstruktur; 1 a side view of a fiber composite material fan blade with a surrounding the airfoil metal enveloping structure;

2 eine Schnittansicht des Übergangs zwischen Hüllstruktur und Tragstruktur gemäß der Linie AA nach 1; und 2 a sectional view of the transition between enveloping structure and support structure according to the Li never AA after 1 ; and

3 eine Schnittansicht im Bereich der Vorderkante der Fanschaufel nach 1. 3 a sectional view in the region of the leading edge of the fan blade after 1 ,

Wie die Zeichnung zeigt, besteht die Fanschaufel 1 aus einer im Detail nicht dargestellten Tragstruktur 2 aus einem Faserverbundmaterial, hier einer Vielzahl übereinander liegender Kohlenstofffaserlagen mit in das Fasergelege infiltriertem Kunststoff, und einer die Tragstruktur 2 im Bereich des Schaufelblattes 3 umgebenden Hüllstruktur 4. Die Hüllstruktur 4 umfasst ein metallisches Führungskanten-Formstück 5 sowie ein druckseitiges Deckblech 6 und ein saugseitiges Deckblech 7, die in der vorliegenden Ausführungsform aus einer Titanlegierung bestehen. Die beiden Deckbleche 6, 7 sind über Schweißnähte 8, 9 mit dem Führungskanten-Formstück 5 und an den gegenüber liegenden Enden (nicht dargestellt) miteinander verbunden.As the drawing shows, there is the fan blade 1 from a support structure, not shown in detail 2 from a fiber composite material, here a plurality of superimposed carbon fiber layers with plastic infiltrated into the fiber fabric, and one of the support structure 2 in the area of the airfoil 3 surrounding shell structure 4 , The envelope structure 4 includes a metallic leading edge fitting 5 and a pressure-side cover plate 6 and a suction-side cover plate 7 which are made of a titanium alloy in the present embodiment. The two cover sheets 6 . 7 are over welds 8th . 9 with the leading edge fitting 5 and connected to each other at the opposite ends (not shown).

Die nur das Schaufelblatt 3 umschließende Hüllstruktur 4 endet unterhalb des sogenannten Anulusfillers 10, einem zur Luftführung und Dämpfung dienenden Schaufelteil. Das freie, zum Schaufelfuß 11 der Fanschaufel 1 weisende Ende der Deckbleche 6, 7 ist geschäftet ausgebildet, das heißt, es weist eine zur Außenfläche der Deckbleche 6, 7 hin abgeschrägte Kante 12 auf, wobei die Außenfläche der Hüllstruktur 4 in einer Flucht mit der Oberfläche der Tragstruktur 2 im Bereich des Schaufelfußes 11 liegt.The only the blade 3 enclosing envelope structure 4 ends below the so-called Anulusfillers 10 , A serving for air flow and damping blade part. The free, to the blade foot 11 the fan blade 1 facing end of the cover sheets 6 . 7 is geschet formed, that is, it has a to the outer surface of the cover plates 6 . 7 slanted edge 12 on, wherein the outer surface of the enveloping structure 4 in alignment with the surface of the support structure 2 in the area of the blade root 11 lies.

Durch die auf das Schaufelblatt begrenzte Hüllstruktur 4 werden die an dieser wirkenden Zugkräfte nicht auf den Schaufelfuß 11 übertragen. Am Schaufelfuß 11 wirken somit nur geringe Schubspannungen, so dass die Gefahr des Auf tretens von Delaminationen deutlich verringert wird. Gerade im Übergangsbereich zwischen Schaufelblatt 3 und Schaufelfuß 11 werden durch die dort auftretende Biegebelastung große Kräfte aufgebracht, die bei vollständig umhüllter Tragstruktur zu einer Delamination zwischen der Blechumhüllung und dem Faserverbundmaterial führen können. In diesem Zusammenhang ist auch die geschäftete Ausbildung der Hüllstruktur 4 (abgeschrägte Kante 12) am Übergang zum Schaufelfuß 11 wichtig, weil dadurch an dieser Stelle nur eine geringe Spannungsüberhöhung auftreten wird. Um die Spannungen an der Übergangsstelle weiter einzuschränken, können in die freie Kante der Hüllstruktur 4 am Umfang in regelmäßigem Abstand – beispielsweise dreieckige Ausnehmungen (nicht dargestellt) eingeschnitten sein.Due to the sheathing limited to the airfoil 4 The forces acting on this tensile forces are not on the blade foot 11 transfer. On the blade foot 11 Thus, only low shear stresses act, so that the risk of occurrence of delaminations is significantly reduced. Especially in the transition area between the blade 3 and shovel foot 11 By the bending stress occurring there large forces are applied, which can lead to a delamination between the sheet metal casing and the fiber composite material when fully enveloped support structure. In this context is also the busy training of the envelope structure 4 (bevelled edge 12 ) at the transition to the blade root 11 important because at this point only a slight increase in voltage will occur. In order to further restrict the stresses at the transition point, in the free edge of the enveloping structure 4 on the circumference at a regular distance - for example, triangular recesses (not shown) to be cut.

Aufgrund der auf das Schaufelblatt 3 begrenzten Hüllstruktur 4 kann die Tragstruktur 2 aus Faserverbundmaterial separat in einem Werkzeug hergestellt werden und die Hüllstruktur anschließend unter Verwendung eines ausgewählten – duktilen – Klebers mit der Tragstruktur 2 verbunden werden. Die Möglichkeit der Auswahl eines von dem Infiltrationsmaterial unabhängigen, besonders geeigneten Klebers trägt zusätzlich zur Vermeidung von Delaminationen bei.Due to the on the blade 3 limited hull structure 4 can the support structure 2 made of fiber composite material separately in a tool and then the sheathing structure using a selected - ductile - adhesive with the support structure 2 get connected. The possibility of selecting a particularly suitable adhesive independent of the infiltration material also contributes to avoiding delaminations.

Für die zuvor erwähnte Herstellung der Fanschaufel 1 mit nur das Schaufelblatt 3 umgebender Hüllstruktur 4 unter Verwendung eines besonders geeigneten Klebers ist es erforderlich, dass das Faserverbundmaterial beim Verschweißen der Deckbleche 7, 8 mit dem Führungskanten-Formstück 5 nicht durch die dabei auftretenden hohen Schweißtemperaturen beschädigt wird. Daher wird das Führungskanten-Formstück 5 zunächst über die Schweißnaht 8 mit dem druckseitigen Deckblech 6 verbunden und anschließend die in einem Werkzeug vorgefertigte Tragstruktur 2 mittels eines Spezialklebers mit dem druckseitigen Deckblech 6 und dem Führungskanten-Formstück 5 verbunden. Das Führungskanten-Formstück 5 weist eine radial verlaufende Ausnehmung 13 auf, in die der vordere Rand des saugseitigen Deckblechs 7 bündig eingelegt und an seiner Vorderkante mit dem Führungskanten-Formstück 5, und zwar entfernt von dem Faserverbundmaterial, verschweißt wird (Schweißnaht 9). Das saugseitige Deckblech 7 wurde zuvor mit dem Faserverbundmaterial der Tragstruktur 2 mittels eines duktilen Spezialklebers verklebt. Die gegenüberliegenden Enden (nicht dargestellt) der beiden Deckbleche 7, 8 können an den vom Faserverbundmaterial entfernten Kanten so verschweißt werden, dass die Schweißwärme nicht auf das Faserverbundmaterial wirkt.For the aforementioned production of the fan blade 1 with only the blade 3 surrounding shell structure 4 using a particularly suitable adhesive, it is necessary that the fiber composite material during welding of the cover plates 7 . 8th with the leading edge fitting 5 is not damaged by the high welding temperatures occurring. Therefore, the leading edge molding becomes 5 first over the weld 8th with the pressure-side cover plate 6 connected and then the prefabricated in a tool support structure 2 by means of a special adhesive with the pressure-side cover plate 6 and the leading edge molding 5 connected. The leading edge fitting 5 has a radially extending recess 13 in which the front edge of the suction-side cover plate 7 inserted flush and at its leading edge with the leading edge fitting 5 , that is, away from the fiber composite material, is welded (weld 9 ). The suction-side cover plate 7 was previously with the fiber composite material of the support structure 2 glued by means of a ductile special adhesive. The opposite ends (not shown) of the two cover sheets 7 . 8th can be welded to the edges remote from the fiber composite material so that the welding heat does not act on the fiber composite material.

Prinzipiell ist es aber auch möglich, die Hüllstruktur 4 für das Schaufelblatt 3 bereits vorzufertigen und in ein Formwerkzeug einzubringen und nach Einlegen des Fasermaterials die Infiltration des Kunstharzes durchzuführen. Das Schweißen der Tragstruktur kann in diesem Fall ohne Rücksicht auf das erst später eingebrachte Faserverbundmaterial erfolgen. Andererseits ist die Verbindung zwischen Tragstruktur und Hüllstruktur mit einem besonders geeigneten Kleber nicht möglich. Hierbei wird die Klebeverbindung durch das infiltrierte Kunstharz bewirkt.In principle, it is also possible, the envelope structure 4 for the airfoil 3 prefabricate already and bring in a mold and perform after insertion of the fiber material, the infiltration of the resin. The welding of the support structure can be done in this case without regard to the later introduced fiber composite material. On the other hand, the connection between the support structure and enveloping structure with a particularly suitable adhesive is not possible. In this case, the adhesive connection is effected by the infiltrated synthetic resin.

Eine weitere vorteilhafte Wirkung der vorgeschlagenen Fanschaufelausbildung besteht schließlich in der Erhöhung der Reibwirkung zwischen dem Schaufelfuß und der Rotorscheibe, und zwar wegen der Kombination des harten – metallischen – Rotorscheibenmaterials mit dem weichen Faserverbundwerkstoff des Schaufelfußes. Dadurch wird der Verschleiß des Schaufelfußes verringert und somit die Lebensdauer der Fanschaufel in Kombination mit den Wirkungen der oben erwähnten Merkmale insgesamt weiter erhöht.A further advantageous effect of the proposed fan blade training finally exists in the raise the friction effect between the blade root and the rotor disk, and though because of the combination of the hard - metallic - rotor disc material with the soft fiber composite material of the blade root. Thereby will the wear of the blade root reduces and thus the life of the fan blade in combination with the effects of the above mentioned Overall features further increased.

11
Fanschaufelfan blade
22
Tragstruktursupporting structure
33
Schaufelblattairfoil
44
Hüllstrukturshell structure
55
Führungskanten-FormstückGuiding edge former
66
Druckseitiges DeckblechDischarge Side cover sheet
77
Saugseitiges DeckblechSuction cover sheet
88th
SchweißnahtWeld
99
SchweißnahtWeld
1010
AnulusfillerAnulusfiller
1111
Schaufelfußblade
1212
Abgeschrägte Kante, SchäftungBeveled edge, scarf joint
1313
Radiale Ausnehmungradial recess

Claims (4)

Fanschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, die eine aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur (2) und eine metallische Hüllstruktur (4) aus Blech aufweist und die aus einem Schaufelblatt (3), einem Schaufelfuß (11) und einem Anulusfiller (10) im Übergangsbereich zwischen Schaufelblatt und -fuß besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllstruktur (4) nur das Schaufelblatt (3) umgibt und unterhalb des Anulusfillers (10) mit einer an der Innenseite abgeschrägten Kante (12) und/oder einer mit Ausnehmungen versehenen Kante bündig an die Außenfläche des aus Faserverbundwerkstoff bestehenden Schaufelfußes (11) anschließt.Fan blade for a gas turbine engine which has a support structure consisting of a fiber composite material ( 2 ) and a metallic shell structure ( 4 ) made of sheet metal and consisting of a blade ( 3 ), a blade foot ( 11 ) and an anulus filler ( 10 ) in the transition region between the blade and the blade, characterized in that the enveloping structure ( 4 ) only the airfoil ( 3 ) and below the annulus filler ( 10 ) with an edge bevelled on the inside ( 12 ) and / or an edge provided with recesses flush with the outer surface of the fiber composite material of the blade root ( 11 ). Fanschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllstruktur (4) ein Führungskanten-Formstück (5) sowie ein druck- und ein saugseitiges Deckblech (6, 7) umfasst.Fan blade according to claim 1, characterized in that the envelope structure ( 4 ) a leading edge molding ( 5 ) and a pressure and a suction-side cover plate ( 6 . 7 ). Fanschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2) vorgefertigt und an den Innenflächen der Hüllstruktur (4) mittels eines duktilen Spezialklebers verklebt ist, wobei zur Vermeidung eines direkten Wärmekontakts mit dem Faserverbundwerkstoff beim Verschweißen der Hüllstruktur (4) mindestens ein Deckblech (6, 7) in einer radial verlaufenden Ausnehmung (13) des Führungskanten-Formstücks (5) von dessen hinterer Stirnfläche und dem Faserverbundwerkstoff entfernt verschweißt ist.Fan blade according to claim 1 or 2, characterized in that the support structure ( 2 ) and on the inner surfaces of the enveloping structure ( 4 ) is glued by means of a ductile special adhesive, wherein to avoid a direct thermal contact with the fiber composite material during welding of the enveloping structure ( 4 ) at least one cover plate ( 6 . 7 ) in a radially extending recess ( 13 ) of the leading edge molding ( 5 ) is welded away from the rear end face and the fiber composite material. Fanschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllstruktur (4) vorgefertigt ist und die Tragstruktur (2) aus Faserverbundwerkstoff innerhalb der Hüllstruktur gefertigt ist und durch in das Fasermaterial infiltriertes Kunstharz mit den Innenflächen der Hüllstruktur (4) verbunden ist.Fan blade according to claim 1, characterized in that the envelope structure ( 4 ) is prefabricated and the support structure ( 2 ) is made of fiber composite material within the enveloping structure and by the resin infiltrated into the fiber material with the inner surfaces of the enveloping structure ( 4 ) connected is.
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